Detectados vórtices de electrones en el grafeno

"Gracias a nuestro sensor extremadamente sensible y de alta resolución espacial, ni siquiera tuvimos que enfriar el grafeno..."

14.05.2024
Illustration: Chaoxin Ding

Utilizando un sensor de campo magnético (flecha roja) dentro de una aguja de diamante, los investigadores de la ETH obtuvieron imágenes de vórtices de electrones en una capa de grafeno (azul).

Investigadores de la ETH de Zúrich han hecho visible por primera vez cómo los electrones forman vórtices en un material a temperatura ambiente. Para su experimento utilizaron un microscopio de detección cuántica de altísima resolución.

Cuando un conductor eléctrico ordinario -como un cable metálico- se conecta a una batería, los electrones del conductor son acelerados por el campo eléctrico creado por la batería. Al moverse, los electrones chocan con frecuencia con átomos de impurezas o vacantes en la red cristalina del alambre y convierten parte de su energía de movimiento en vibraciones de la red. La energía perdida en este proceso se convierte en calor que puede sentirse, por ejemplo, al tocar una bombilla incandescente.

Mientras que las colisiones con las impurezas de la red son frecuentes, las colisiones entre electrones son mucho menos frecuentes. Sin embargo, la situación cambia cuando se utiliza grafeno, una única capa de átomos de carbono dispuestos en una red en forma de panal, en lugar de un alambre común de hierro o cobre. En el grafeno, las colisiones de impurezas son poco frecuentes y las colisiones entre electrones desempeñan el papel principal. En este caso, los electrones se comportan más como un líquido viscoso. Por tanto, en la capa de grafeno deberían producirse fenómenos de flujo bien conocidos, como los vórtices.

Según informan en la revista científica Science, investigadores de la ETH de Zúrich del grupo de Christian Degen han conseguido ahora detectar directamente por primera vez vórtices de electrones en el grafeno, utilizando un sensor de campo magnético de alta resolución.

Microscopio de detección cuántica de alta sensibilidad

Los vórtices se formaron en pequeños discos circulares que Degen y sus colaboradores habían fijado durante el proceso de fabricación a una tira conductora de grafeno de sólo un micrómetro de ancho. Los discos tenían diferentes diámetros, entre 1,2 y 3 micrómetros. Los cálculos teóricos sugerían que debían formarse vórtices de electrones en los discos más pequeños, pero no en los más grandes.

Para hacer visibles los vórtices, los investigadores midieron los minúsculos campos magnéticos producidos por los electrones que fluyen dentro del grafeno. Para ello utilizaron un sensor cuántico de campo magnético consistente en un centro de vacantes de nitrógeno (NV) incrustado en la punta de una aguja de diamante. Al ser un defecto atómico, el centro NV se comporta como un objeto cuántico cuyos niveles de energía dependen de un campo magnético externo. Utilizando rayos láser y pulsos de microondas, los estados cuánticos del centro pueden prepararse de forma que sean máximamente sensibles a los campos magnéticos. Mediante la lectura de los estados cuánticos con un láser, los investigadores pudieron determinar con gran precisión la intensidad de esos campos.

"Debido a las diminutas dimensiones de la aguja de diamante y a la pequeña distancia de la capa de grafeno -sólo unos 70 nanómetros-, pudimos hacer visibles las corrientes de electrones con una resolución de menos de cien nanómetros", afirma Marius Palm, antiguo estudiante de doctorado del grupo de Degen. Esta resolución es suficiente para ver los vórtices".

Dirección invertida del flujo

En sus mediciones, los investigadores observaron un signo característico de los vórtices esperados en los discos más pequeños: una inversión de la dirección del flujo. Mientras que en el transporte normal (difusivo) de electrones, los electrones de la tira y el disco fluyen en la misma dirección, en el caso de un vórtice, la dirección del flujo dentro del disco se invierte. Como predecían los cálculos, no se observaron vórtices en los discos más grandes.

"Gracias a nuestro sensor extremadamente sensible y a su alta resolución espacial, ni siquiera tuvimos que enfriar el grafeno y pudimos realizar los experimentos a temperatura ambiente", afirma Palm. Además, él y sus colegas no sólo detectaron vórtices de electrones, sino también vórtices formados por portadores de huecos. Aplicando una tensión eléctrica desde debajo del grafeno, modificaron el número de electrones libres de tal forma que el flujo de corriente ya no era transportado por electrones, sino por electrones desapareados, también llamados huecos. Sólo en el punto de neutralidad de carga, donde hay una concentración pequeña y equilibrada tanto de electrones como de huecos, los vórtices desaparecieron por completo.

"En este momento, la detección de vórtices de electrones es investigación básica, y aún quedan muchas cuestiones abiertas", afirma Palm. Por ejemplo, los investigadores aún tienen que averiguar cómo influyen las colisiones de los electrones con los bordes del grafeno en el patrón de flujo, y qué efectos se producen en estructuras aún más pequeñas. El nuevo método de detección utilizado por los investigadores de la ETH también permite observar más de cerca muchos otros efectos exóticos del transporte de electrones en estructuras mesoscópicas, fenómenos que se producen en escalas de longitud que van desde varias decenas de nanómetros hasta unos pocos micrómetros.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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